CN116373554A - 热交换模块、热管理系统、电动车辆和储能系统 - Google Patents

热交换模块、热管理系统、电动车辆和储能系统 Download PDF

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CN116373554A CN202310399997.1A CN202310399997A CN116373554A CN 116373554 A CN116373554 A CN 116373554A CN 202310399997 A CN202310399997 A CN 202310399997A CN 116373554 A CN116373554 A CN 116373554A
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杨城
张政
沈志文
任颖睦
王鹏
魏先玉
常涛
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Abstract

本申请公开了热交换模块、热管理系统、电动车辆和储能系统，其中，所述热交换模块包括换热单元(10)、电加热单元(20)和阀单元(30)，所述换热单元(10)包括第一流体通道和第二流体通道，所述电加热单元(20)包括加热腔(21)，所述阀单元(30)设置为能够选择性地将所述加热腔(21)与所述第一流体通道串联。本申请可以通过阀单元选择性地将加热腔与第一流体通道串联，从而能够根据需要使电加热单元选择性地与换热单元联合工作，达到热交换模块的有效集成并能够实现多种工作模式。

Description

热交换模块、热管理系统、电动车辆和储能系统
技术领域
本申请涉及电加热领域，更具体地说，涉及一种热交换模块、热管理系统、电动车辆和储能系统。
背景技术
在室内空调、新能源汽车及储能系统热管理等应用中，有时会同时配备热泵和电加热器两种制热部件。但上述系统中两者通常独立工作，例如具有辅助加热功能的家用空调，电加热器会并行位于室内风扇的前端，在室外温度极低，热泵制热不足时进行制热，相当于两个制热源并联工作。在这种工作模式下，电加热器对热泵的运行效率没有任何有效提升，虽然一定程度上弥补了热泵系统制热量不足的问题，但系统较为复杂；且两路制热的控制互不相关，控制精度较差。
另外，在一个热管理系统中，通常希望同一个换热器既能用于制冷也能用于制热工况。并且，基于降低系统复杂度、减小体积和节约成本等原因，希望整个热管理系统中的各部件进行有效集成。
因此，如何有效提升电加热器和热泵的协同工作成为本申请需要解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本申请提出了一种热交换模块，以使电加热单元与换热器有效集成。
本申请提供一种热交换模块，其中，所述热交换模块包括换热单元、电加热单元和阀单元，所述换热单元包括第一流体通道和第二流体通道，所述电加热单元包括加热腔，所述阀单元设置为能够选择性地将所述加热腔与所述第一流体通道串联。
优选地，所述加热腔的入口和所述第一流体通道连通，所述阀单元包括设置在所述加热腔和所述第一流体通道的连通处的通断阀。
优选地，所述通断阀包括阀体和阀芯，所述阀体密封地穿设于所述加热腔并伸入所述第一流体通道，所述阀体设置有连通所述第一流体通道的滑动腔，所述阀芯滑动设置在所述滑动腔内，所述阀体设置有连通所述加热腔和所述滑动腔的连通孔，所述连通孔位于所述阀芯的滑动路径上。
优选地，所述连通孔沿所述阀体的径向设置，和/或，所述阀体设置有多个所述连通孔。
优选地，所述加热腔的入口与所述第一流体通道的出口连通，所述热交换模块包括连接所述第一流体通道的出口的第一流体出口管路，所述阀单元包括设置在所述第一流体出口管路上的三通阀，所述加热腔的出口连接所述三通阀。
优选地，所述热交换模块包括分别设置在所述第一流体通道的两端的第一端口P1和第二端口P2、分别设置在所述第二流体通道的两端的第三端口P3和第四端口P4以及设置在所述加热腔的出口的第五端口P5。
优选地，所述电加热单元为板状，所述第五端口P5和所述换热单元分别设置在板状的所述电加热单元的厚度方向的两侧。
优选地，所述电加热单元包括加热元件，其中：所述加热元件设置在所述加热腔的背离所述换热单元的底部外表面上，和/或，所述加热元件包括电阻丝、电热管、PTC陶瓷元件和膜加热元件中的一种。
优选地，所述加热腔设置有温度监测单元，所述电加热单元的控制器与所述温度监测单元电连接，以根据所述监测单元的反馈控制所述电加热单元。
优选地，所述电加热单元和/或所述换热单元的流道设置为适于切换流体流动方向。
本申请还提供一种热管理系统，其中，所述热管理系统包括本申请的热交换模块。
本申请还提供一种电动车辆，该电动车辆包括本申请的热管理系统，所述电动车辆为混合动力车辆或纯电动车辆。
本申请还提供一种储能系统，该储能系统包括本申请的热管理系统，所述储能系统为采用蓄电池的电化学储能系统。
根据本申请的技术方案，可以通过阀单元选择性地将加热腔与第一流体通道串联，从而能够根据需要使电加热单元选择性地与换热单元联合工作，达到热交换模块的有效集成并能够实现多种工作模式。
本申请的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施方式及其说明用于解释本申请。在附图中：
图1为根据本申请的一种实施方式的热交换模块的立体剖视图，其中，热交换模块的第一工作模式；
图2为图1中通断阀处的结构示意图；
图3为显示图1的热交换模块的第二工作模式的视图；
图4为显示图1的热交换模块的第三工作模式的视图；
图5为显示图1的热交换模块的第四工作模式的视图；
图6为显示图1的热交换模块的第五工作模式的视图；
图7为表示图1的热交换模块及相关部件连接关系的原理图，虚线框内为热交换模块；
图8为根据本申请的另一种实施方式的热交换模块的原理图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本申请的技术方案。
本申请提供一种热交换模块，其中，所述热交换模块包括换热单元10、电加热单元20和阀单元30，所述换热单元10包括第一流体通道和第二流体通道，所述电加热单元20包括加热腔21，所述阀单元30设置为能够选择性地将所述加热腔21与所述第一流体通道串联。
使用本申请的热交换模块，可以通过阀单元30选择性地将加热腔21与第一流体通道串联，从而能够根据需要使电加热单元20选择性地与换热单元10联合工作，达到热交换模块的有效集成并能够实现多种工作模式。其中，多种工作模式将在下文结合附图予以详细说明。
阀单元30可以采用适当形式，以选择性地将所述加热腔21与所述第一流体通道串联。
根据本申请的一种实施方式，所述加热腔21的入口和所述第一流体通道连通，如图1和图2所示，所述阀单元30可以包括设置在所述加热腔21和所述第一流体通道的连通处的通断阀30a(例如，第一流体通道和加热腔21通过连接管连通，通断阀30a可以设置在连接管内)。通过使通断阀30a开启，可以使加热腔21和第一流体通道串联；通过使通断阀30a关闭，可以使加热腔21和第一流体通道的流体连通断开，从而使加热腔21和第一流体通道不再串联。
通过采用通断阀30a，可以在不需要电加热单元20和换热单元10联合工作时时物理地断开加热腔21和第一流体通道的流体连通，以避免处于低温状态的第一介质流经加热腔21并在腔体外围结霜。
其中，通断阀30a可以采用适当形式，只要能够通过开启和关闭控制加热腔21和第一流体通道的通断即可。
根据本申请的一种实施方式，如图2所示，所述通断阀30a包括阀体31和阀芯32，所述阀体31密封地穿设于所述加热腔21(例如，形成所述加热腔21的上板和下板均设置有穿孔，阀体31设置有分别与上板和下板的穿孔密封的第一密封件33和第二密封件34)并伸入所述第一流体通道，所述阀体31设置有连通所述第一流体通道的滑动腔311，所述阀芯32滑动设置在所述滑动腔内，所述阀体31设置有连通所述加热腔21和所述滑动腔的连通孔312，所述连通孔312位于所述阀芯32的滑动路径上。由此，当通断阀30a开启时，阀芯32滑动到让开连通孔312，第一流体通道通过滑动腔311和连通孔312与加热腔21连通，使得加热腔21和第一流体通道串联；当通断阀30a关闭时，阀芯32滑动到连通孔312处并封堵连通孔312，使得加热腔21和第一流体通道断开连通。
其中，第一密封件33和第二密封件34可以采用适当形式，例如可以为密封圈。另外，阀芯32的促动可以与所需的工作模式的操控关联。例如，阀芯32的促动(通断阀30a可以包括用于控制阀芯32的控制器35，以根据需要控制阀芯32的往复促动)可以与电加热单元30的控制同步，以在加热腔21与第一流体通道串联时开启电加热单元30，并在加热腔21与第一流体通道断开连通时关闭电加热单元20。
滑动腔311连通第一流体通道且用于使阀芯32沿其滑动，即，滑动腔311沿阀体31的延伸方向(即穿设方向)设置，从而滑动腔311的一端伸入第一流体通道而与第一流体通道连通。
连通孔312可以设置在阀体31的适当位置。例如，如图2所示，所述连通孔312可以沿所述阀体31的径向设置，以使连通孔312的长度尽可能减小，一方面便于设置，另一方面可以减小流体阻力。另外，为提高流量，所述阀体31可以设置有多个所述连通孔312。多个连通孔312汇聚连通于滑动腔311的同一轴向位置，以通过阀芯32的移动而同时开启或封堵。优选地，多个连通孔312可以沿阀体31的周向均布，以使流体均匀流动。
根据本申请的另一种实施方式，阀单元30也可以设置在换热单元10和电加热单元30外部。具体的，如图8所示，所述加热腔21的入口与所述第一流体通道的出口连通，所述热交换模块包括连接所述第一流体通道的出口的第一流体出口管路，所述阀单元30包括设置在所述第一流体出口管路上的三通阀30b，所述加热腔21的出口连接所述三通阀30b。由此，通过操作三通阀30b，可以使热交换模块在加热腔21和第一流体通道串联的第一状态和加热腔21和第一流体通道不串联的第二状态之间切换。具体的，在第一状态下，三通阀30b的端口p1和端口p3导通，第一介质经第一流体通道的出口流入加热腔21并通过三通阀30b流入第一流体出口管路；在第二状态下，三通阀30b的端口p2和端口p3导通，端口p1截止，第一介质经第一流体通道的出口流入第一流体出口管路。
热交换模块可以设置相应的端口，以能够在使得加热腔21与第一流体通道串联和断开两种情况下正常工作。具体的，如图1所示，所述热交换模块包括分别设置在所述第一流体通道的两端的第一端口P1和第二端口P2、分别设置在所述第二流体通道的两端的第三端口P3和第四端口P4以及设置在所述加热腔21的出口的第五端口P5。其中，各端口可以根据需要控制打开或关闭，以使热交换模块在不同模式下工作。例如，当加热腔21与第一流体通道串联时，第一介质可以从第一端口P1和第五端口P5中的一者进入并经过第一流体通道、加热腔21由第一端口P1和第五端口P5中的另一者流出；当加热腔21与第一流体通道断开连通时，第一介质可以从第一端口P1流入第一流体通道并从第二端口P2流出。第二介质可以从第三端口P3和第四端口P4中的一者流入第二流体通道并从另一者流出，以与第一流体通道内的第一介质进行热交换。可以理解的，在换热单元10中，第一介质和第二介质的流动方向相反。
本申请中，电加热单元20可以采用适当形式。为简化结构以便集成，优选地，所述电加热单元20为板状，所述第五端口P5和所述换热单元10分别设置在板状的所述电加热单元20的厚度方向的两侧。另外，第一端口P1、第二端口P2、第三端口P3和第四端口P4可以根据需要设置在适当位置，例如可以设置在换热单元10的背离电加热单元20的侧，以便连接外部构件。
本申请中，电加热单元20包括加热元件。由于加热腔21的背离换热单元10的底部具有更大的可用面积，因此可以将加热元件设置在所述加热腔21的背离所述换热单元10的底部外表面上。其中，加热元件可以采用适当形式，例如可以包括电阻丝、电热管、PTC陶瓷元件或膜加热元件。优选地，加热元件为膜加热元件，能够保证在200℃～250℃的工作温度区间不发生从壳体脱落或层间分离现象。
其中，膜加热元件可以为薄膜或厚膜加热元件，当采用薄膜加热元件时，加热腔21的壳体材料可以选择铝或铝合金且可以通过热喷涂工艺制作薄膜加热元件；当采用厚膜加热元件时，加热腔21的壳体材料可以为不锈钢且可以通过丝网印刷/烧结工艺制作厚膜加热元件。优选地，加热元件22为薄膜加热元件，以使薄膜加热元件中的电阻发热层经过壳体传递到第一介质的热阻更小，提高热传导效率。
另外，优选地，所述加热腔21设置有温度监测单元，所述电加热单元20的控制器与所述温度监测单元电连接，以根据所述监测单元的反馈控制所述电加热单元20。其中，温度监测单元可以包括设置在加热腔21的入口、中部、出口中的至少一处的温度传感器，以便控制器进行相应的控制。具体的，例如，通过监测加热腔21的入口温度，可以根据该入口温度(例如根据入口温度与环境温度的差值)控制电加热单元20的开关；通过监测加热腔21中部的温度变化梯度，可以判断流体介质在加热腔21内是否流动顺畅、加热腔21内是否出现干烧，以便在加热腔21出现干烧时使电加热单元20停止加热；通过监测加热腔21出口的温度，可以在流体介质的出口温度达到预定值时降低电加热单元20的加热功率或使电加热单元20停止加热。
电加热单元20和换热单元10的流道(即加热腔21的流道、第一流体通道的流道、第二流体通道的流道)可以采用各种适当形式。例如，加热腔21的流道可以采用U型、几字型、纵向、横向或蛇形布置。优选地，所述电加热单元20和/或所述换热单元10的流道设置为适于切换流体流动方向，也就是说，流道的入口和出口可以互换，以便切换工作模式。例如，可以在电加热单元20和/或换热单元10的腔体内设置散热翅片，散热翅片沿介质流向各处的截面面积相同，以使介质反向流动时的流阻保持不变。
换热单元10可以采用适当形式。具体的，换热单元10包括换热板片，换热板片可以采用波纹状或平板状，以形成所需的流道设计。采用平板状换热板片时，在换热板片之间可以插入散热翅片，以加大流道的换热面积和增加流体介质的湍流强度。优选地，所述散热翅片沿介质流向各处的截面面积相同，以使换热器在介质反向流动时的流阻保持不变。
下面参考附图说明本申请的不同工作模式。热交换模块可以设置在具有制冷/制热设备的热管理系统中，制冷/制热设备可以包括压缩机、冷凝器、水泵等，以使热管理系统能够循环第一介质、第二介质。其中，第一介质可以为冷却液，第二介质可以为冷媒。第二端口P2设置为能够根据需要打开或关闭，例如可以在第二端口P2或与其连接的管路设置阀门。在图7的实施方式中，可以通过阀门40控制第二端口P2，在图8所示的实施方式中，可以通过三通阀30b控制第二端口P2。
第一工作模式如图1所示，图中箭头表示冷却液流动路线，此模式为制冷模式，换热单元10相当于蒸发器，此模式下，压缩机工作，电加热单元20不工作，阀单元30关闭，冷却液(第一介质)从第一端口P1流入第一流体通道并通过第二端口P2流出，在换热单元10内与第二流体通道内的冷媒(第二介质)热交换(此模式下，第三端口P3为冷媒入口，第四端口P4为冷媒出口)，冷媒被加热，冷却液温度降低并从第二端口P2流出后用于需要散热或制冷的装置(例如在车辆热管理系统中用于电池模块散热或乘员舱制冷)。
第二工作模式如图3所示，图中箭头表示冷却液流动路线，此模式为电加热单元20独立加热模式。此模式下，压缩机不工作，阀单元30开启，第二端口P2关闭，冷却液从第一端口P1流入第一流体通道并进入加热腔21，以通过电加热单元20的加热元件22加热，加热后的冷却液经第五端口P5流出，用于需要制热的装置(例如在车辆热管理系统中用于电池模组或乘员舱加热)。
第三工作模式如图4所示，图中箭头表示冷却液流动路线，此模式为热泵制热模式，换热单元10相当于冷凝器。此模式下，压缩机工作，电加热单元20不工作，阀单元30关闭，冷却液从第一端口P1流入第一流体通道并通过第二端口P2流出，在换热单元10内与第二流体通道内的冷媒(第二介质)热交换，冷媒被降温，冷却液温度升高并从第二端口P2流出后用于需要制热的装置(例如在车辆热管理系统中用于电池模块散热或乘员舱加热)。
第四工作模式如图5所示，图中箭头表示冷却液流动路线，此模式为联合制热模式，换热单元10相当于冷凝器。此模式下，压缩机和电加热单元20同时工作，阀单元30开启，冷却液从第一端口P1流入第一流体通道，内与第二流体通道内的冷媒(第二介质)热交换，冷媒被降温，冷却温度升高并进入加热腔21被进一步加热，最后由第五出口P5流出，用于需要制热的装置(例如在车辆热管理系统中用于电池模组或乘员舱加热)。
第五工作模式如图6所示，图中箭头表示冷却液流动路线，此模式为电加热辅助热泵制热模式，换热单元10相当于蒸发器，冷媒在第二流体通道中的流动方向与第一工作模式相反，即第四端口P4为冷媒入口，第三端口P3为冷媒出口。此模式适用于低温环境，特别是环境温度-25℃-0℃区间，这种低温环境下，冷却液受环境温度影响而温度较低，直接与冷媒在换热单元10进行热交换时，冷媒无法从冷却液中获得足够的热量。此模式下，压缩机和电加热单元20同时工作，阀单元30开启，冷却液从第五端口P5流入加热腔21并通过电加热单元20加热，以增加冷却液和冷媒之间的温差。加热后的冷却液进入第一流体通道并在换热单元10内与冷媒发生热交换，冷却液从第一端口P1流出，换热后的冷媒可以用于需要制热的装置，即冷媒直热模式(例如，在车辆热管理系统中直接将冷媒用于电池模组加热)；或者，可以采用辅助电加热模式，例如，换热后的冷媒用于热泵空调制热循环，再通过另一套换热单元与其他介质如冷却液换热并通过冷却液向需要制热的装置提供热量。
本申请中，第一介质可以为适当的传热介质，例如第一介质可以为50％乙二醇溶液，俗称防冻液，第二介质可以是适当的冷媒，例如R134a、R410a、R1234yf及CO2等。本申请的热交换模块可以用于适当应用，例如可以用于车辆的热管理系统，或者是用于储能系统的热管理系统。
根据本申请的另一方面，提供一种热管理系统，其中，所述热管理系统包括本申请的热交换模块。
本申请还提供一种电动车辆，该电动车辆包括本申请的热管理系统，所述电动车辆为混合动力车辆或纯电动车辆。
本申请还提供一种储能系统，该储能系统包括本申请的热管理系统，所述储能系统为采用蓄电池的电化学储能系统。
以上详细描述了本申请的优选实施方式，但是，本申请并不限于上述实施方式中的具体细节，在本申请的技术构思范围内，可以对本申请的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本申请的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本申请对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本申请的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本申请的思想，其同样应当视为本申请所公开的内容。

Claims (13)

1.一种热交换模块，其特征在于，所述热交换模块包括换热单元(10)、电加热单元(20)和阀单元(30)，所述换热单元(10)包括第一流体通道和第二流体通道，所述电加热单元(20)包括加热腔(21)，所述阀单元(30)设置为能够选择性地将所述加热腔(21)与所述第一流体通道串联。
2.根据权利要求1所述的热交换模块，其特征在于，所述加热腔(21)的入口和所述第一流体通道连通，所述阀单元(30)包括设置在所述加热腔(21)和所述第一流体通道的连通处的通断阀(30a)。
3.根据权利要求2所述的热交换模块，其特征在于，所述通断阀(30a)包括阀体(31)和阀芯(32)，所述阀体(31)密封地穿设于所述加热腔(21)并伸入所述第一流体通道，所述阀体(31)设置有连通所述第一流体通道的滑动腔(311)，所述阀芯(32)滑动设置在所述滑动腔内，所述阀体(31)设置有连通所述加热腔(21)和所述滑动腔的连通孔(312)，所述连通孔(312)位于所述阀芯(32)的滑动路径上。
4.根据权利要求3所述的热交换模块，其特征在于，所述连通孔(312)沿所述阀体(31)的径向设置，和/或，所述阀体(31)设置有多个所述连通孔(312)。
5.根据权利要求1所述的热交换模块，其特征在于，所述加热腔(21)的入口与所述第一流体通道的出口连通，所述热交换模块包括连接所述第一流体通道的出口的第一流体出口管路，所述阀单元(30)包括设置在所述第一流体出口管路上的三通阀(30b)，所述加热腔(21)的出口连接所述三通阀(30b)。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的热交换模块，其特征在于，所述热交换模块包括分别设置在所述第一流体通道的两端的第一端口P1和第二端口P2、分别设置在所述第二流体通道的两端的第三端口P3和第四端口P4以及设置在所述加热腔(21)的出口的第五端口P5。
7.根据权利要求6所述的热交换模块，其特征在于，所述电加热单元(20)为板状，所述第五端口P5和所述换热单元(10)分别设置在板状的所述电加热单元(20)的厚度方向的两侧。
8.根据权利要求7所述的热交换模块，其特征在于，所述电加热单元(20)包括加热元件，其中：所述加热元件设置在所述加热腔(21)的背离所述换热单元(10)的底部外表面上，和/或，所述加热元件包括电阻丝、电热管、PTC陶瓷元件和膜加热元件中的一种。
9.根据权利要求1-5中任意一项所述的热交换模块，其特征在于，所述加热腔(21)设置有温度监测单元，所述电加热单元(20)的控制器与所述温度监测单元电连接，以根据所述监测单元的反馈控制所述电加热单元(20)。
10.根据权利要求1-5中任意一项所述的热交换模块，其特征在于，所述电加热单元(20)和/或所述换热单元(10)的流道设置为适于切换流体流动方向。
11.一种热管理系统，其特征在于，所述热管理系统包括权利要求1-10中任意一项所述的热交换模块。
12.一种电动车辆，该电动车辆包括权利要求11所述的热管理系统，所述电动车辆为混合动力车辆或纯电动车辆。
13.一种储能系统，该储能系统包括权利要求11所述的热管理系统，所述储能系统为采用蓄电池的电化学储能系统。
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